课题十二金属切削加工基础知识ppt课件.ppt

模块三 机械加工基础,课题十二 金属切削加工基础知识,学习情境1 熟悉切削加工与切削刀具,学习情境2 了解用刀具基本定义,学习情境3 掌握工件材料的切削加工性,学习情境4 熟悉常用切削刀具,【课题要点】 本课题主要介绍金属切削加工的运动分析和切削要素，切削刀具的基本定义，常用刀具的基本定义，工件材料的切削加工性，常用的金属切削刀具等。,【学习目标】 （1）熟悉金属切削加工的基本知识、刀具材料应具备的性质、刀具材料类型。 （2）了解金属切削刀具的角度定义及工作角度的选择方法、工件材料的切削加工性、常用的金属切削刀具类型。 （3）能初步掌握金属切削刀具选择方法。,【课题描述】 金属切削是金属切削加工过程中刀具与工件之间相互作用和各自变化规律的一门学科。在设计机床和刀具制定机器零件的切削工艺及其定额合理地使用刀具和机床以及控制切削过程时，都要利用金属切削原理的研究成果，使机器零件的加工达到经济优质和高效率的目的。,学习情境1 熟悉切削加工与切削刀具,【情境导航】 切削加工运动分析 切削要素 切削刀具基本定义,【相关知识】 一、切削加工运动分析 切削加工时，为了获得各种形状的零件，刀具与工件之间必须具有一定的相对运动，即切削运动，切削运动按其所起的切削作用可分为主运动和进给运动。,(一)主运动 主运动是由机床提供的运动，它使刀具与工件之间产生主要的相对运动。主运动的特点是速度最高，消耗功率最大。车削时，主运动是工件的回转运动；牛头刨床刨削时，主运动是刀具的往复直线运动。,(二)进给运动 进给运动是由机床提供的运动，它使刀具与工件间产生附加的相对运动，进给运动将使被切金属层不断投入切削，以加工出具有所需几何特性的已加工表面。例如，车削外圆进给运动是刀具的纵向运动；车削端面时，进给运动是刀具的横向运动。牛头刨床刨削时，进给运动是工作台的移动。,(三)主运动和进给运动的合成 当主运动和进给运动同时进行时，切削刃上某一点相对于工件的运动为合成运动。常用合成速度向量ve来表示。,二、切削要素 切削要素是用来表示切削加工中主运动和进给运动参数的数量。切削要素包括切削速度、进给量、背吃刀量三个要素。 (一)切削速度vc 在切削加工时，切削刃选定点相对于工作主运动的瞬时速度称为切削速度，它表示在单位时间内工件或刀具沿主运动方向相对移动的距离，单位为m/min或m/s。,主运动为旋转运动时，切削速度vc的计算公式为 式中：d工件直径，mm； n工件或刀具每分(秒)钟转数，r/min（r/s）。,(二)进给量f 进给量是刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，可用刀具或工件每转或每行程的位移最来表示或度量。车削时进给量的单位是mm/r，即工作每转一圈，刀具沿进给运动方向移动的距离。刨削的主运动为往复直线运动，其间歇进给的进给量为毫米/双行程，即每个往复行程刀具与工件之间的相对横向移动距离。,单位时间的进给量，称为进给速度，它是切削刀选定点相对于工作进给运动的瞬间速度。车削时的进给速度vf(mm/min或m/s)计算公式为,铣削时，由于铣刀是多齿刀具，进给量单位除mm/r外，还规定了每齿进给量，用az表示，单位是(mm/z)。vf，f，az三者之间的关系为： 式中：z多齿刀具的齿数。,(三)背吃刀量(切削深度)ap 背吃刀量(切削深度)ap是指主刀刃工作长度(在基面上的投影)沿垂直于进给运动方向上的投影值。对于外圆车削，背吃刀量ap等于工件已加工表面和待加工表面之间的距离，单位为mm。,三、切削刀具基本定义 切削刀具种类很多，如车刀、刨刀、铣刀和钻头等，它们几何形状各异，复杂程度不等，但它们切削部分的结构和几何角度却具有许多共同的特征。其中，车刀是最常用、最简单和最基本的切削工具，最具有代表性，其他刀具都可以看做是车刀的组合或变形。因此，在研究金属切削工具时，通常以车刀为例进行研究和分析。,（一）车刀的组成 车刀由切削部分、刀柄两部分组成。切削部分承担切削任务，刀柄是用以装夹在机床刀架上。切削部分是由一些面和切削刃组成。常用的外圆车刀是由一个刀尖、两条切削刃、三个刀面组成的，如图12.1所示。,图12.1 车刀的组成,1.刀面 （1）前刀面Ar。前刀面Ar是指刀具上切屑流过的表面。 （2）后刀面Aa。后刀面Aa是指与工件上切削表面相对的刀衙面。 （3）副后刀面Aa。副后刀面Aa是指与已加工表面相对的刀面。,2.切削刃 （1）主切削刃S。主切削刃S是指前刀面与后刀面的交线，承担主要的切削工作。 （2）副切削刃S。副切削刃S是指前刀面与副后刀面的交线，承担少量的切削工作。 （3）刀尖。刀尖是指主、副切削刃相交的一点，实际上该点不可能磨得很尖，而是由一段折线或微小圆弧组成，微小圆弧的半径称为刀尖圆弧半径，用r表示，如图12.2所示。,图12.2 刀尖形状,（二）刀具几何角度参考系 为了便于确定车刀上的几何角度，常选择某一参考系作为基准，通过测量刀面或切削刃相对于参考系坐标平面的角度值来反映它们的空间方位。 根据ISO 3002/11997标准推荐，刀具几何角度参考系有正交平面参考系、法平面参考系和假定工作平面参考系三种。,1.正交平面参考系 如图12.3所示，正交平面参考系由以下三个平面组成： 基面Pr是过切削刃上某选定点平行或垂真于刀具在制造、刃磨及测量时适合于安装或定位的一个平面或轴线，一般来说其方位要垂直于假定的主运动方向。车刀的基面都平行于它的底面。,主切削平面Ps是过切削刃某选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面。 正交平面Po是过切削刃某选定点同时垂直于基面和切削平面得到的平面。 过主切削刃，副切削刃某选定点都可以建立正交平面参考系。基面Pr、主切削平面Ps、正交平面Po三个平面在空间相互垂直。,2.法平面参考系 如图12.4所示，法平面参考系由Pr，Ps和法平面Pn组成。其中法平面Pn是过切削刃某选定点垂直于切削刃的平面。,图12.3 正交平面参考系图 图12.4 法平面参考系图,3.假定工作平面参考系 如图12.5所示，假定工作平面参考系由Pr，Pf和Pp组成。假定工作平面Pf是过切削刃某选定点平行于假定进给运动平面并垂直于基面的平面。背平面Pp是过切削刃某选定点既垂直于二假定迸给运动平面又垂直于基面的平面。,图12.5 假定工作平面参考系图,（三）刀具标注角度 刀具标注角度如图12.6所示。 1.在基面内测量的角度 （1）主偏角kr。主偏角kr是指主切削刃与进给运动方向之间的夹角。 （2）副偏角kr。副偏角kr是指副切削刃与进给运动反方向之间的夹角。 （3）刀尖角r。刀尖角r是指主切削刃与副切削刃之间的夹角，刀尖角的大小会影响刀具切削部分的强度和传热性能。它与主偏角和副偏角的关系为,2.在主切削刃正交平面(O-O)内测量的角度 (1)前角o。前角o是指前刀面与基面间的夹角。当前刀面与基面平行时，前角为零。基面在前刀面以内，前角为负。基面在前刀面以外，前角为正。,图12.6 车刀的几何角度,(2)后角o。后角o是指后刀面与切削平面间的夹角。 (3)楔角o。楔角o是指前刀面与后刀面间的夹角。 楔角的大小将影响切削部分截面的大小，决定着切削部分的强度，它与前角o和后角o的关系为 o=90（o+o),3.在切削平面内(S向)测量的角度 刃倾角s是指主切削刃与基面间的夹角。刃倾角正负的规定如图12.7所示。刀尖处于最高点时，刃倾角为正；刀尖处于最低点时，刃倾角为负；切削刃平行于底面时，刃倾角为零。,图12.7 s的正负规定,s=0的切削称为直角切削，此时主切削刃与切削速度方向垂直，切屑沿切削刃的法向流出。s0的切削称为斜角切削，此时主切削刃与切削速度方向不垂直，切屑的流向与沿切削刃的法向倾斜了一个角度。,4.在副切削刃正交平面内(O-O)测量的角度 副后角o是指副后刀面与副切削刃切削平面的夹角。 上述的几何角度中，最常用的是前角o、后角o、主偏角kr、刃倾角r、副偏角kr和副后角o，通常称之为基本角度。在刀具切削部分的几何角度中，上述基本角度能完整地表达出车刀切削部分的几何形状，反映出刀具的切削特点。,休息一下，巩固所学的知识,学习情境2 了解用刀具基本定义,【情境导航】 刀具的材料 切削力和影响切削力的因素 刀具的磨损与耐用度 刀具几何参数的合理选择,【相关知识】 一、刀具的材料 刀具的材料是指刀具切削部分的材料，刀具材料性能的优劣对切削加工过程及精度、质量、生产效率有着直接影响。 (一)刀具材料应具备的性能 1.高硬度 高硬度是刀具材料应具备的最基本性能，一般认为，刀具材料应比工件材料的硬度高1.31.5倍，常温硬度高于60HRC。,2足够的强度和韧度 切削过程中，刀具承受很大的压力、冲击和振动，刀具材料必须具备足够的抗弯强度和冲击韧性。一般说来，刀具材料的硬度越高，其抗弯强度和冲击韧性值越低。为了不产生崩刃和折断，刀具材料必须具备足够的强度和韧度。,3.高耐磨性 在切削过程中，刀具要经受剧烈摩擦，所以作为刀具材料必须具备良好的耐磨性。 耐磨性不仅与硬度有关，往往还与强度、韧度和金相组织结构等因素有关。一般认为，刀具材料的硬度越高、马氏体中合金元素越多、金属碳化物数量越多、颗粒越细、分布越均匀，耐磨性就越高。,4.高耐热性 耐热性是衡量刀具材料切削性能优劣的主要指标，它是刀具材料在高温下保持或基本保持其硬度、强度、韧度和耐磨性的主要指标。故工具钢刀具常用红硬性(加热4 h仍能保持58HRC时的温度值即为红硬性)来表示。例如，高速钢的红硬性为550 650 ，即在此温度下，高速钢仍能保持或基本保持常温时的切削性能指标，硬质合金约为900 。 作为刀具材料除具备上述性能外，还应具备一定的可加工性能，如切削加工性、磨削性、焊接性能、热处理性能、高温塑性等。,(二)刀具材料类型 1.高速钢 高速钢是在高碳钢中加入W，Cr，V，Mo等合金元素，与C生成碳化物而制成的。加入合金元素后，细化了晶粒，提高了合金的硬度。一般高速钢的淬火硬度可达6367HRC。 红硬性可达550 660 。切削速度vc可比合金工具钢提高12倍。高速钢具有较高的强度，在所有刀具材料中它的抗弯强度和冲击韧度最高，是制造各种刃形复杂刀具的主要材料。就其性能用途，高速钢可分为普通高速钢和高性能高速钢两类。,2.硬质合金 硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物和金属黏结剂(如Co，Ni，Mo等)，经过高压成型，并在1 500 左右的高温下烧结而成。 硬质合金的硬度高达8995HRA，耐磨性、耐热性很好，耐热温度可达800 1 000 。其缺点是抗弯强度低、脆性大、怕振动、怕冲击、制造工艺差。 硬质合金刀具的加工效率非常高，切削速度可达100 m/min以上，能够切削淬火钢等硬材料。,(三)其他刀具材料或超硬刀具材料1.陶瓷2.金刚石3.立方氮化硼,二、切削力和影响切削力的因素 (一)切削力 如图12.8所示，直角自由切削时，作用在前刀面上有弹、塑性变形抗力Fnr和摩擦力Ffr，作用在后刀面上的力有弹、塑性变形抗力Fna和Ffa它们的合力Fr作用在前刀面上近切削刃处。直角非自由切削时，由于副切削刃的影响，使直角自由切削时的F，改变了方向。为了便于测量和应用，将合力分解为三个互相垂直的分力Fc，Fp和Ff。,图12.8 切削力的来源和分力,1.主切削力Fc 主切削力Fc是指垂直于基面，与主切削速度方向一致的分力。它是最大的一个分力，是设计及使用刀具、计算机床功率和设计主传动系统的主要依据，也是夹具设计及切削用量选择的依据。 2.吃刀抗力Fp 吃刀抗力Fp是指在基面内，与进给方向相垂直，即沿吃刀方向上的分力。吃刀抗力Fp影响工艺系统的变形，会引起工艺系统振动，影响加工表面质量。,3.进给抗力Fr 进给抗力Fr在基面内，与进给运动方向相平行，即沿进给方向上的分力。它是验算机床进给系统临界强度的依据。,(二)影响切削力的因素 1.工件材料 工件材料的强度、硬度越高，材料的剪切屈服强度s越大，虽然变形系数有所下降，但单位切削力增大。强度、硬度相近的材料，若其塑性或韧性越大，切屑越不易折断，使切屑与前刀面间摩擦增加，切削力越大，如不锈钢1Cr18Ni9Ti与45钢强度接近，但其韧性高45钢4倍，相同条件下，其切削力要高25%。,对于脆性材料，由于塑性变形小，切屑与前刀面摩擦小，切削力较小，如灰铸铁HT200与热轧45钢，两者硬度相近。但切削铸铁的切削力要小40%。,2.切削用量 背吃刀量ap和进给量增大，分别会使切削宽度w和切削厚度c增大。切削层面积Ac增大，变形抗力和摩擦力增加，使切削力增大。但两者影响程度不同。ap增大，w和Ac增大，但变形系数不变，使切削力成正比增大。f增大，c和Ac增大，但变形系数有所下降，使切削力不成正比增大。因而，在切削加工中，如果从切削力和切削功率来考虑，增大进给量比增大背吃刀量有利，这样既可提高效率又减小了单位切削力。,加工塑性金属材料时，在中速和高速下(vc 40 m/min)，切削力一般随着切削速度的增大而减小。这主要是因为vc增大，使切削温度提高，摩擦减小，从而使变形系数变小。切削脆性材料，如灰铸铁、黄铜等时，因其塑性变形很小，切屑和前刀面的摩擦也很小，所以切削速度对切削力没有显著影响。,3.刀具几何参数 前角o增大，被切金属的变形减小，切削力显著下降。一般来说，当加工塑性较大的金属材料时，前刀面对切削力的影响比加工塑性较小的金属材料更显著。,主偏角kr从30增大到60时，切削厚度增加，切削变形减小，使主切削力减小；但随着kr增大，在6090时，刀尖圆弧半径也增大，挤压摩擦加剧，使主切削力又增大。 主偏角kr在6075范围时，主切削力最小。但车细长轴类零件时，往往采用大于60的主偏角以减小吃刀抗力。对于切断或切槽来说，主偏角应大于90，以减小切削的挤压以及后刀面与工件的摩擦，减小切削力。,刃倾角s的绝对值增大时，使主切削刃参加工作长度增加，摩擦加剧；但在法向剖面中刃口圆弧半径减小，刀刃锋利，切削变形等上述因素综合作用的结果，使Ff变化较小，当刃倾角由正值向负值变化时，吃刀抗力Fp增大，进给抗力Ff减小。通常刃倾角每增减1，吃刀抗力增减2%3%。因此，切削时不宜选用过大的负刃倾角。 刀尖圆弧半径增大，使切削力增大，它主要对Fp，Ff影响较大，而对Fc影响较小。,此外，刀具材料不同，刀具与工件之间的摩擦因数不同，因此对切削力的影响也不同。 在同样的切削条件下，陶瓷刀具切削力最小，高速钢刀具切削力最大。刀具的磨损，会加剧后刀面与工件的摩擦，增大切削力。使用切削液能改变刀具与工件的摩擦状况，从而影响切削力。,三、刀具的磨损与耐用度 切削过程中，刀具一方面切下切屑，一方面也被损坏。刀具损坏到一定程度，就要换刀或更换新的刀刃，才能继续切削。刀具损坏也是切削过程中的一个重要现象。 刀具损坏的形式主要有正常磨损和非正常磨损两类。前者是连续的逐渐磨损，后者包括脆性磨损(如崩刀、碎断、剥落、裂纹破损等)和塑性破损两种。,刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力和切削温度增加，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。 与一般机械零件的磨损相比，刀具磨损的特点是：前后面的接触压力很大，接触面温度很高，摩擦也很大，存在着机械、热和化学作用以及摩擦、黏结、扩散等现象。一个机械零件可用上几个月、几年甚至几十年，而一把刀具仅用十几分钟、几十分钟。,(一)刀具磨损的原因1.机械擦伤磨损2.黏结磨损3.扩散磨损4.化学磨损5.相变磨损6.热电磨损,(二)刀具磨损过程及磨钝标准 1.刀具磨损过程 根据切削试验得到如图12.9所示的刀具的典型磨损曲线。为了便于说明，将刀具磨损分为三个阶段。,(1)初期磨损阶段。新刃磨的刀具后面存在粗糙不平以及微观裂纹、氧化或脱碳层等缺陷，而且切屑与前面、后面与加工表面的接触面积小，单位面积压力大，所以这一阶段的磨损较快。一般初期磨损量为0.050.1 mm，其值与刀具刃磨质量直接相关。研磨过的刀具，初期磨损量较小。,(2)正常磨损阶段。经过初期磨损后，刀具粗糙表面逐渐磨平，单位面积压力减小，磨损比较缓慢且均匀，进入正常磨损阶段。 此阶段的磨损量与切削时间近似地成比例增加。正常切削时，此阶段时间较长。,(3)急剧磨损阶段。当磨损量增加到一定限度后，加工表面粗糙度增加，切削力与切削温度迅速升高，磨损量增加很快，出现噪声、振动，以致刀具损坏而失去切削能力。 在这个阶段到来之前，就要及时换刀。,2.刀具的磨钝标准 刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。 在评定刀具材料切削性能和研究试验时，都以刀具表面的磨损量作为衡量刀具的磨钝标准。因为一般刀具的后面都发生磨损，而且测量也比较方便，因此，国际标准ISO统一规定以1/2切削深度处后面上测量的磨损带宽度VB作为刀具磨钝标准，如图12.10所示。 自动化生产中用的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损尺寸作为衡量刀具的磨钝标准，称为刀具径向磨损量NB。,图12.9 刀具的典型磨损曲线 图12.10 刀具磨钝标准,(三)刀具耐用度 在实际生产中，不可能经常停机去测量刀具后面上的VB值，以确定是否达到磨钝标准，而是采用与磨钝标准相对应的切削时间，即刀具耐用度来表示。刀具耐用度是指刀具刃磨后开始切削，一直到磨损量达到刀具磨钝标准所经过的总切削时间，以T表示，单位为min。 对于某一切削过程，当工件、刀具材料和几何参数选定后，切削用量是影响刀具耐用度的主要因素。以下用实验的方法来确定切削用量与刀具耐用度的关系。,四、刀具几何参数的合理选择 刀具几何参数主要包括刀具角度、刀刃与刃口形状等。合理的刀具几何参数是指保证加工质量和刀具寿命的前提下能达到提高生产效率、降低生产成本的刀具几何参数。在生产中由于切削条件的差别，确定了刀具几何参数的效果也不相同，因此在掌握选择原则和方法基础上所确定的几何参数，必须经过生产实践认可或做进一步改进。,(一)前角选择 增大前角，切削刃锋利切削变形小、切削力小、切削轻快、切削温度低、刀具磨损小，加工表面质量高。但过大前角会使刀具切削部分和切削刃刚度和强度差，切削温度高、刀具易磨损或破损、寿命低。因此在正、反影响下，前角有一个最佳数值。 选择前角的原则是在达到刀具寿命要求条件下，应选择较大前角。具体考虑以下几个方面因素：,(1)根据加工工件材料选择。加工塑性金属材料，前角较大；加工脆性材料，前角较小。材料的强度和硬度越高，前角越小；材料的塑性越大，前角越大。 (2)根据刀具材料。高速钢刀具材料的抗弯强度、抗冲击韧性高，可选取较大前角；硬质合金材料的抗弯强度较高速钢低，故前角较小；陶瓷刀具材料的抗弯强度是高速钢的1/31/2，故选择前角应更小些。,(3)根据加工要求选择。粗加工时选择较小前角；精加工时的前角应大些；加工成型表面的刀具，前角应取小些，这是由于前角减小，能减小刀具的刃形误差，提高工件的加工精度，如表12.1、表12.2所示为刀具前角值，供选择时参考。,表12.1 硬质台金刀具前角值,表12.2 不同刀具材料加工钢时前角值,(二)后角o选择 增大后角，减少后面与切削表面间摩擦，减小切削刃钝圆弧半径rn，因而可提高加工表面质量。增大后角使刀具强度降低，散热条件差，如图12.11所示，在相同磨损标准VB条件下，大的后角经重磨后，使加工直径变化量大，从而影响加工精度。,图12.11 后角对加工精度影响,选择后角的原则是，在不产生摩擦条件下，应适当减小后角，具体考虑因素如下： （1）根据加工精度选择。精加工是为了减小摩擦，后角较大，选取o=812；粗加工是为了提高强度，后角较小，选取o=68。,(2)根据加工材料选择，加工塑性材料后角较大，加工脆性材料后角较小，如图12.12（a)所示，为了减少刃磨和重磨后面的工作量，在硬质合金刀具和陶瓷刀具上常磨出双重后角。 此外，如图12.12(b)所示，为了增加后面与加工表面之间的阻尼作用，提高切削平稳性，在后面做出负后角刃带，一般刃带宽ba1=0.10.3 mm，负后角 01=-10-3。 在生产中有的切断刀、高速螺纹车刀和细长轴车刀采用负后角刃带。,图12.12 双重后角和负后角刃带（a）双重后角；（b）副后角刃带,(三)副后角o选择 副后角选择原则与主后角的基本相同。 一般在车刀、三面铣刀上便于制造，选取o=o。有些刀具，例如切断刀、切槽刀、三面刃铣刀等，为增加刀齿强度，使重磨后刀齿厚度变化小，常选用很小的负后角o=12。 (四)主偏角kr选择 减小主偏角，刀具强度高、散热条件好，特别是使残留面积高度减小，表面粗糙度小；增大主偏角，使背向力Fy减小。此外，易于断屑。,(五)副偏角kr选择 副偏角是影响表面粗糙度的主要角度，它的大小也影响刀具强度。过小的副偏角，会增加副后面与已加工表面间摩擦，引起振动。副偏角的选择原则是在不影响摩擦和振动的条件下，应选取较小副偏角。如表12.3所示为不同加工条件时的主、副偏角数值。,表12.3 主偏角kr、副偏角kr选用值,（六）刃倾角s选择 选用刃倾角可控制切屑流向。增大刃倾角s，可增加实际工作前角和较小法平面中钝圆半径rn，从而减小切削力Fc和提高加工表面质量。选用负刃角，使背向力Fy增大。生产中常用在选用较大前角时，同时选取负刃角，以解决“锋利与强固”难以并存的矛盾，如表12.4所示。,表12.4 刃倾角s数值的选用表,休息一下，巩固所学的知识,学习情境3 掌握工件材料的切削加工性,【情境导航】 工件材料的切削加工性评定 影响材料切削加工性的主要因素 常用材料的切削加工性 改善工件材料切削加工性的途径,【相关知识】 工件材料的切削加工性是指将其加工成合格零件的难易程度。某种材料切削加工的难易，不仅取决于材料本身，还取决于具体的加工要求及切削条件。 一、工件材料的切削加工性评定 加工要求和生产条件不同，评定材料的切削加工性的指标也不相同。常用的评定指标有下面几种。,(一)刀具寿命指标 在相同的切削条件下，使刀具寿命高的材料，其切削加工性好；或者在一定刀具寿命(T)下，所允许的最大切削速度(Vc)高的工件材料，其切削加工性好。,(二)已加工表面质量指标 以常用材料是否容易保证得到所要求的已加工表面质量作为评定材料切削加工性的指标。一般精加工的零件可用表面粗糙度值来评定材料的切削加工性。对某些有特殊要求的零件，在评定材料切削加工性时，不仅要用表面粗糙度指标，还要用表面层材质的变化指标来全面评定。,(三)切削力或切削温度指标 在相同的切削条件下，凡使切削力加大、切削温度增高的工件材料，其切削加工性就差。反之，其切削加工性就好。在粗加工或机床动力不足时，常以此指标来评定材料的切削加工性。 (四)切屑控制性能指标 在自动机床或自动生产线上，常用切屑控制的难易程度来评定材料的切削加工性。凡切屑容易被控制或折断的材料，其切削加工性就好，反之，则差。,二、影响材料切削加工性的主要因素 工件材料的切削加工性能与其本身的物理、力学性能有很大关系，主要影响因素有材料的强度和硬度、塑性、韧性以及导热性。,(一)材料的强度和硬度 由前面分析可知，工件材料的硬度和强度越高，切削力就越大，消耗的功率也越大，切削的温度也越高，使刀具的磨损加剧，切削加工性就越差。特别是工件材料的耐热性(高温硬度值)越高，这时刀具材料的硬度与工件材料的硬度之比就越低，切削加工性就越差，刀具越容易磨损。这也是某些耐热钢、高温合金钢切削加工性差的主要原因。,(二)材料的塑性 材料的塑性越大，切削时的塑性变形就越大，切削温度就越高，刀具容易出现黏结磨损和扩散磨损。当低速切削塑性高的材料时易产生积屑瘤，影响表面加工质量，而且塑性大的材料，切削时不易断屑。但加工塑性太低的材料时，切削力和切削热集中在切削刃附近，加剧刀具的磨损，也会影响切削加工性。,(三)材料的韧性 韧性较大的材料，在切削变形时吸收的功较多，于是切削力和切削温度也越高，并且不易断屑，影响切削加工性。 （四)材料的导热性 工件材料的导热性越好，由切屑带走和工件散出的热量就越多，越有利于降低切削区的温度，减小刀具的磨损，切削加工性好。 综上所述，可以通过材料的强度、硬度、塑性、冲击韧性、热导率等来分析所加工工件材料的切削加工性。,三、常用材料的切削加工性 (一)结构钢 普通碳素钢是应用最广泛的金属材料，根据切削加工性来看，它属于普通材料。由于碳的含量不同，其切削加工性有所差异。 低碳钢(wc0.25%)中金相组织以铁素体为主，硬度140HBS，塑性和韧性大，故切削变形大，切屑分离母体时已加工表面会因发生严重的撕扯而产生大量细裂纹(又称鳞刺)，而且低碳钢容易与刀具前刀面黏结产生积屑瘤，这两个因素会严重影响精加工表面质量。粗加工时，断屑困难，所以低碳钢的切削加工性较差。,中碳钢(wc=0.3%0.6%)的金相组织中铁素体含量减少，珠光体增加，硬度为180HBS，有较好的综合性能，切削加工性好，根据需要还可通过正火或调质处理，改善加工过程或加工质量。 高碳钢(wc=0.6%0.8%)的金相组织以珠光体为主，正火后的硬度230280HBS。其切削加工性不如中碳钢。,(二)铸铁 普通铸铁的金相组织是金属基体加游离石墨。塑性和硬度都较低，切屑易断，因为组织中的石墨有一定的润滑作用，切削时摩擦因数小，切削力小，功率消耗少，所以并不难加工。但是，由于切屑是从石墨处开始，不规则的断裂往往深入到已加工表面以下，使已加工表面粗糙。另外，切削铸铁时，形成的是崩碎切屑，它与前刀面接触长度短，切削力、切削温度集中在刃区，最高温度在靠近切削刃的后刀面上。,(三)有色金属 普通铝及铝合金的硬度都低，且导热性好，属于易切削材料。切削时应选用大的刀具前角(020)和高的切削速度，所用刀具应锋利、光滑，以减少积屑瘤和加工硬化对表面质量的影响。,铜及铜合金的硬度和强度都较低，导热性也好，属于易切削材料。纯铜和普通黄铜由于塑性和韧性较大，断屑性差、易黏屑，切削时应采用大的前角和可靠的断屑措施。 铅黄铜和锡青铜的强度和硬度较高，但由于铅的存在，使其脆性增加，伸长率降低，故切削变形小，形成崩碎切屑，切削时可选用较高的切削速度。,四、改善工件材料切削加工性的途径 生产中改善金属工件材料切削加工性最常用的方法之一，是通过适当的热处理工艺，改变材料的金相组织，使材料的切削加工性得到改善。例如，高碳钢经球化退火，可降低硬度；低碳钢经正火处理，可降低塑性，提高硬度；马氏体不锈钢经调质处理，可降低塑性；铸铁件切削前进行退火，可降低表面层的硬度。,休息一下，巩固所学的知识,学习情境4 熟悉常用切削刀具,【情境导航】 车刀 铣刀 齿轮刀具 钻削刀具,【相关知识】 一、车刀 车刀按结构不同可分为整体式、焊接式、机夹重磨式和机夹可转位式等。 整体式车刀是将车刀的切削部分与夹持部分用同一种材料制成，如尺寸不大的高速钢车刀常用这种结构，焊接式车刀是在碳钢刀杆(常用45钢)上根据刀片的形状和尺寸铣出刀槽后将硬质合金刀片钎焊在刀槽中，然后刃磨出所需的几何参数。,焊接式车刀结构简单、紧凑、刚性好、灵活性大，可根据切削要求较方便地刃磨出所需角度，故应用广泛。但经高温钎焊的硬质合金刀片易产生应力和裂纹，切削性能有所下降，并且刀杆不能重复使用，浪费较大。,机夹重磨式车刀的刀片与刀杆是两个可拆的独立元件，切削时靠夹紧元件将它们紧固在一起。这样避免了因焊接产生的缺陷，可提高刀具的切削性能，并且刀杆可多次使用。,机夹可转位式车刀是将压制有合理几何参数，断屑槽，并有几个切削刃的多边形刀片，用机械夹固的方法，装夹在标准刀杆上，以实现切削的一种刀具结构。 当刀片的一个切削刃磨钝后，松开夹紧元件，把刀片转位换成另一新切削刃，便可继续使用。,与焊接式车刀相比，机夹可转位式车刀具有切削效率高，刀片使用寿命长，刀具消耗费用低等优点。可转位车刀的刀杆可重复使用，节省了刀杆材料。 刀杆和刀片可实现标准化、系列化，有利于刀具的管理工作,如图12.13所示为常见车刀的结构示意图。,图12.13 常用车刀结构示意图,二、铣刀 铣刀是使用量较大的一种金属切削刀具，其使用量仅次于车刀及钻头。铣刀品种规格繁多，常用的分类方法有按加工表面分类和按刀齿齿背形式分类两种。,(一)按加工表面分类 1.加工平面的铣刀 (1)圆柱铣刀,如图12.14(a)所示，多用在卧式铣床上，其刀齿分布在圆柱表面上，端面无切削刃。采用螺旋形刀齿可以提高切削工作的平稳性。标准圆柱铣刀分为粗齿和细齿两种。粗齿铣刀齿数少、刀齿强度高、容屑空间大、可重磨次数多，适用于粗加工；细齿铣刀齿数多、工作平稳，适用于半精加工和精加工。,(2)面铣刀。如图12.14(b)所示，多用在立式铣床上，其主切削刃分布在圆锥表面或圆柱表面上，端部切削刃为副切削刃。 2.加工沟槽或台阶的铣刀 (1)立铣刀。如图12.14(c)所示，可用于加工台阶和沟槽，其圆柱表面上的切削刃是主切削刃，端刃是副切削刃。 (2)盘形铣刀。分为槽铣刀、两面刃铣刀、三面刃铣刀和错齿三面刃铣刀。槽铣刀仅在圆柱表面上有切削刃，可用于加工浅槽。,(3)角度铣刀，如图12.14(f)所示，用于铣削角度沟槽或斜面。 (4)键槽铣刀，如图12.14(d)所示，主要用于加工圆头封闭键槽。其结构和立铣刀相似，但仅有两个刀齿，且端面切削列通过中心，故可沿其轴向进给。 3.加工成型表面的铣刀 圆弧盘铣刀，如图12.14(g)所示，用于加工各种成型柱面或成型回转面，也可用于加工螺旋形成型面。,图12.14 铣刀的种类及使用,(二)按刀齿齿背形式分类 1.尖齿铣刀 尖齿铣刀的齿背(后面)常做成简单的平面(见图12.15(a)或直纹螺旋面。尖齿铣刀重磨后面，容易除去磨损带，刃口锋利，切削轻快，铣削的表面质量好，刀具耐用度高。尖齿铣刀的齿形简单，制造容易，几何参数比较合理。因此，它是铣刀的基本齿背形式，绝大多数铣刀都是尖齿铣刀，如图12.14(a)(f)所示。,2.铲齿铣刀 铲齿铣刀后面在专用机床上按一定曲面铲制而成，如图12.15(b)所示 。沿前面重磨后可保持铣刀轴向截形不变，因此适用于刀具截形复杂的铣刀，如成型铣刀等。 目前大多数铣刀都已标准化，由专门的工具厂按标准组织生产，除了一部分成型铣刀需要自行设计外，一般铣刀可根据标准或工厂产品样本直接选用。,图12.15 刀齿齿背形式,三、齿轮刀具 齿轮刀具是加工齿轮齿形的刀具。为适应各种类型齿轮的加工需要，齿轮刀具的种类繁多。 (一)成型齿轮刀具 1.盘形齿轮铣刀 盘形齿轮铣刀是一种铲齿成型铣刀，其结构如图12.16所示。 它容易制造，成本低，在普通铣床上就能加工齿轮，但加工精度和生产率较低，只适用于单件、小批量生产或修配车间加工直齿、斜齿圆柱齿轮和齿条等。,图12.16 盘形齿轮铣刀,当盘形齿轮铣刀前角为零度时，其刃口形状就是被加工齿轮的渐开线齿形。而齿轮齿形的渐开线形状由基圆大小决定，如图12.17所示。基圆愈小，渐开线愈弯曲；基圆愈大，渐开线愈平直；基圆无穷大时，渐开线变为直线，即为齿条齿形。 盘形齿轮铣刀也可加工斜齿圆柱齿轮。所用铣刀的模数与压力角应与被切齿轮的法向模数和压力角相同。,2.指形齿轮铣刀 如图12.18所示，这种齿轮铣刀实质上是一种成型立铣刀，有铲齿和尖齿结构，主要用于加工大模数的直齿、斜齿齿轮以及无空刀槽的人字齿轮等。 指形齿轮铣刀工作时相当于一个悬臂梁，齿数少，几乎整个刃长都参加切削，切削力大，刀齿负荷重，工作条件差。因此，进给量小，加工效率低。,图12.17 渐开线形状与基圆的关系 图12.18 指形齿轮铣刀,(二)展成齿轮刀具 1.渐开线展成齿轮刀具 这种类型的齿轮刀具齿形和工件齿槽形状不同，切齿时，刀具相当于一个齿轮，它与被加工齿轮做无侧隙啮合，工件齿形是刀具齿形运动轨迹包络而成的。,其加工齿轮的精度和生产率较高，刀具通用性好，是生产中广泛采用的一种齿轮刀具。这类刀具中最常用的有： (1)齿轮滚刀。 (2)涡轮滚刀。 (3)插齿刀。 (4)剃齿刀。,2.非渐开线展成齿轮刀具 矩形花键滚刀是非渐开线展成齿轮刀具中最常用的一种。这种滚刀须按照被加工的矩形花键的结构进行专门的设计和制造。 通常利用平面啮合原理来近似地求得滚刀齿形。让直边的花键齿形与齿条共轭啮合，根据齿形法线法的基本原理，可由已知的花键齿形求得齿条齿形，进而将求得的齿条齿形作为花键滚刀的法向齿形。,四、钻削刀具 在机械加工中，孔加工刀具应用十分广泛，种类较多。孔加工刀具大体分为两大类：一类用于在实体材料上钻孔，另一类用于对工件上已有的孔进行再加工。,(一)在实体材料上加工孔的刀具 1.麻花钻 麻花钻由工具厂专业生产，其常备规格为0.180 mm。麻花钻的结构主要由柄部、颈部及工作部分组成，如图12.19所示。 钻头的工作部分包括切削部分和导向部分。切削部分担负主要切削工作，如图12.19(c)所示。切削部分由两条主切削刃、两条副切削刃和一条横刃及两个前刀面和两个后刀面组成。,图12.19 麻花钻的结构,2.深孔钻 对于孔的深度与直径之比1/d等于510的普通深孔，可以用加长麻花钻加工；对于孔的深度与直径之比l/d大于510的深孔，必须采用特殊结构的深孔钻才能加工。,深孔加工难度大，技术要求高，这是深孔加工的特点所决定的。 因此，设计和使用深孔钻时应注意钻头的导向，防止偏斜；保证可靠的断屑和排屑；采用有效的冷却和润滑措施。深孔钻有单刃外排屑深孔钻、错齿内排屑深孔钻、喷吸钻等。,(二)对工件上已有的孔进行再加工的刀具 1.扩孔钻 扩孔用的扩孔钻结构形式可分为直柄式、锥柄式和套式三种，如图12.20所示，直柄式和锥柄式扩孔钻由工作部分及柄部组成，套式扩孔钻由工作部分及1：30锥孔组成。,图12.20 扩孔钻类型,2.铰刀 铰刀的结构如图12.21所示，铰刀由柄部、颈部和工作部分组成。工作部分包括切削部分和修光部分(标准部分)。切削部分为锥形，担负主要切削工作，修光部分起校正孔径、修光孔壁和导向作用。为减少修光部分刀刃与已加工孔壁的摩擦，并防止孔径扩大，修光部分的后端为倒锥形状。,铰刀可分为手用铰刀和机用铰刀两种。手用铰刀为直柄，如图12.21(a)所示。其工作部分较长，导向性好，可防止铰孔时铰刀歪斜。机用铰刀分为直柄、锥柄和套式三种，如图12.21(b)、(c)所示。,图12.21 铰刀结构,【思考与练习题】 1.切削加工由哪些运动组成?它们各有什么作用? 2.刀具正交平面参考系由哪些平面组成?它们是如何定义的? 3.硬质合金按化学成分和使用特性分为哪四类?各适宜加工哪些工件材料?,4.切屑类型有哪四类?各有哪些特点? 5.各切削分力对加工过程有哪些影响?试述背吃刀量p、进给量f对切削温度的影响规律。 6.刀具有哪几种磨损形式?各有什么特征?,7.试对碳素结构钢中碳的质量分数大小对切削加工性的影响进行分析。 8.说明前角和后角的大小对切削过程的影响。 9.简述半精车切削用量选择方法。 10.试述齿轮刀具的类型及工作原理。,学习结束,学习结束！,谢谢,